李向一,劉國強*,何宜軍,William Perrie
( 1. 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;2. 加拿大漁業(yè)和海洋部 貝德福德海洋研究所,新斯科舍 達特茅斯 B2Y 4A2)
作為連接海氣界面的媒介,海浪在諸多過程中起著至關(guān)重要的作用,其主要通過海浪破碎、斯托克斯漂流與科里奧利力的相互作用、朗繆爾環(huán)流以及非破碎海浪的湍流擾動來影響海洋上層的混合以及海表溫度[1-2]。風(fēng)通過風(fēng)應(yīng)力將動量和能量從大氣傳遞到海洋,風(fēng)和浪之間的耦合決定了大氣動量和能量向海洋的傳輸。熱帶氣旋往往伴隨著強風(fēng),海浪迅速成長,不僅會大量吸收并存儲風(fēng)中的動量和能量,也會改變海表面粗糙度,影響風(fēng)應(yīng)力對海洋的輸送[3]。研究其對大氣向海洋輸入的動量和能量的影響,無論是對海氣耦合的研究還是對熱帶氣旋動力與熱力結(jié)構(gòu)的探索,都有重要意義[4-5]。
大氣對海洋輸送的總應(yīng)力公式為
式中,ρa表 示空氣密度;U?為 摩擦風(fēng)速; τa在任何時候都由表面摩擦阻力fskin和波浪的幾何形狀造成的形阻fform產(chǎn)生,即
它們的比例和大小取決于海表風(fēng)、海浪和海流的相互作用[6]。其中形阻產(chǎn)生的應(yīng)力(τform)是風(fēng)向海浪輸入的應(yīng)力 τin。海洋一側(cè)的應(yīng)力 τoc取決于海表風(fēng)的大小和海浪的演化。由表面摩擦阻力引起的風(fēng)應(yīng)力τskin進 入海流,成為海洋側(cè)應(yīng)力 τoc的一部分。大氣進入海流的向下的動量通量 τoc是海表面摩擦阻力和波耗散共同作用的結(jié)果,公式為
式中,τdiss是 波浪破碎時釋放的動量。波浪存儲的大部分動量和能量被長波迅速傳播,甚至傳輸?shù)竭b遠的海灘消散。當(dāng)海上風(fēng)速較低時,大氣底部受到的阻力主要體現(xiàn)為由流體的黏性引起的表面摩擦阻力[7-9],動量傳遞由兩種流體之間的黏度和密度差決定[10],可以近似認(rèn)為海浪在這種情況下無增長也無耗散。但τoc通 常會比 τa偏低5%~10%[11-12],中緯度風(fēng)暴軸海域的風(fēng)能輸入甚至?xí)桓吖?5%[13]。
對于熱帶氣旋這種具有強風(fēng)的天氣系統(tǒng),海浪場的時間和空間變化以及浪流相互作用極大地降低了進入流的動量通量,在快速移動的熱帶氣旋中海氣兩側(cè)動量之差 τdiff在25%左右[14]。同時,移動的熱帶氣旋會產(chǎn)生復(fù)雜的海浪場。Wright等[15]以及Walsh等[16]的觀測數(shù)據(jù)顯示,熱帶氣旋產(chǎn)生的波高在其移動方向的右側(cè)具有最大值。Fan等[17]模擬的理想熱帶氣旋風(fēng) 下 τoc比 τa小 的 區(qū) 域 主 要 在 熱 帶 氣 旋 的 右 后 象 限。Curcic[18]對4個發(fā)生在大西洋上的熱帶氣旋進行模擬,發(fā)現(xiàn)了相反的結(jié)論:由于熱帶氣旋產(chǎn)生的復(fù)雜的海浪分布逆風(fēng)或橫風(fēng)傳播,風(fēng)暴左側(cè)的 τdiff最大。較快的海浪傳播到低風(fēng)速環(huán)境中,有可能會發(fā)生 τoc大于τa的情況。波長比較長的海浪傳播速度比海表面風(fēng)速快,且這二者傳播方向夾角不超過90°時,反而會出現(xiàn)海洋向大氣作用應(yīng)力的情況,也就是 τoc的方向向上[19-20]。這種向上的動量傳遞起到加速近海表面風(fēng)的作用,從而產(chǎn)生波浪驅(qū)動低層風(fēng)的現(xiàn)象[21]。
因此,很多研究中做出的 τa=τoc的假設(shè)只有在海浪吸收和釋放的動量和能量平衡的時候才成立。特別是在具有高風(fēng)速的熱帶氣旋影響下,海浪場變化迅速,這種情況下若假設(shè)大氣海洋兩側(cè)應(yīng)力相等,就會因為忽略海浪帶來的凈動量通量和能量通量而造成比較大的誤差。深入研究海浪場的演化對海氣動量通量和能量通量的影響,對探索海氣界面處發(fā)生的物理過程具有重要意義。本文將集合觀測以及數(shù)值模擬數(shù)據(jù),研究對于不同強度以及不同移動速度的熱帶氣旋,在全球尺度上對海浪所造成的海氣界面動量以及能量通量的影響。
本文采用的熱帶氣旋數(shù)據(jù)來自IBTrACS(International Best Track Archive for Climate Stewardship)[22],由NHC(US National Hurricane Center)和JTWC(Joint Typhoon Warning Center)提供,NHC的數(shù)據(jù)覆蓋了北大西洋和東北太平洋,JTWC的數(shù)據(jù)覆蓋了西北太平洋、北印度洋和南大洋。被統(tǒng)計的熱帶氣旋發(fā)生的時間范圍是1990?2018年,共2834個,時間間隔為3 h。所用的物理量包括:時間、位置、最大風(fēng)速半徑Rmax、最大持續(xù)風(fēng)速Vmax、移動速度TSP。熱帶氣旋的空間分布如圖1所示,熱帶氣旋主要發(fā)生在5°~40°N以及10°~30°S,其中西北太平洋是熱帶氣旋高發(fā)地,共有908個,同時也是超強臺風(fēng)(中心附近風(fēng)力≥51 m/s)出現(xiàn)最多的海域。
圖1 1990?2018年全球熱帶氣旋分布Fig. 1 Horizontal distribution of the tropical cyclones during 1990 to 2018
關(guān)于海氣動量和能量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來自WW III(WAVEWATCH III)模式。WW III旨在提高海浪預(yù)報的準(zhǔn)確性,提供了1990年至今的空間高分辨率為0.5°×0.5°、時間分辨率為3 h的全球海洋海浪數(shù)據(jù)。該模式有效波高的模擬值與衛(wèi)星高度計的觀測值相比,標(biāo)準(zhǔn)偏差在2%左右,同時對比浮標(biāo)數(shù)據(jù),該模式對較高的波高模擬出的數(shù)值普遍偏低[23]。該模式求解笛卡爾坐標(biāo)系下的動譜平衡方程[3]為
式中,波能譜E(ω,θ) 是角頻率 ω和 方向 θ 的函數(shù);x是空間水平方向矢量;cg是波群速度;方程右側(cè)為源匯項,Sin表 示波增長函數(shù);Sdiss表示是由于白冠、波破碎、底部摩擦等導(dǎo)致的海浪動量及能量損耗[1,6];Snl為非線性波?波相互作用。WW III提供了有效波高以及大氣向海洋輸入的動量通量和能量通量的數(shù)據(jù),由τdiff=τa?τoc=τin?τdiss和EFdiff=EFin?EFdiss計 算 得 到 動 量 差( τdiff)和能量差(EFdiff)的值,其中,EFin為風(fēng)向海浪輸入的能量,EFdiss為海浪破碎釋放進入海洋的能量。
由于熱帶氣旋不同時刻的移動方向不同,為了更好 展 現(xiàn) τdiff和EFdiff的 空 間 分 布,將 熱 帶 氣 旋 的 移 動 方向作為y軸正方向,并將氣旋方向順時針旋轉(zhuǎn)90°作為x軸正方向(圖2右上角)。同時,因為南半球的熱帶氣旋為反氣旋結(jié)構(gòu),其最大風(fēng)速以及有效波高在移動方向的左側(cè)有最大值,所以將南半球y軸正方向逆時針旋轉(zhuǎn)90°作為x軸正方向??紤]到熱帶氣旋尺度的不同,以Rmax對其統(tǒng)一,統(tǒng)計每個時刻熱帶氣旋5Rmax范圍內(nèi)的物理量。
圖2 WW III模式模擬2018年9月14日5時臺風(fēng)“山竹”附近海域的有效波高Fig. 2 WW III model simulates the effective wave height of the sea area near Typhoon Shanzhu at 5:00 on September 14,2018右上角圖為熱帶氣旋5Rmax范圍內(nèi)的有效波高;黑色箭頭為風(fēng)矢量;紅色點線為臺風(fēng)“山竹”在不同時刻的移動軌跡;臺風(fēng)中心附近黑色圓實線分別為Rmax、3Rmax和5Rmax的位置The upper right picture shows the significant wave height within 5Rmax;the black arrows indicate wind vector; the red dotted line is the track of Typhoon Shanzhu at different moments; the black lines near typhoon are the positions of Rmax, 3Rmax and 5Rmax
在過去幾十年中,隨著氣象衛(wèi)星和遙感技術(shù)的發(fā)展,熱帶氣旋路徑的預(yù)報準(zhǔn)確性穩(wěn)步提升,但強度預(yù)報卻沒有明顯的提高。根據(jù)IBTrACS提供的數(shù)據(jù),圖3為統(tǒng)計的1990?2018年間全球臺風(fēng)(中心風(fēng)速≥32.7 m/s)出現(xiàn)的數(shù)量、強度和移動速度隨年份的變化,這里統(tǒng)計的臺風(fēng)強度為該臺風(fēng)存在期間的最大強度,移動速度為該臺風(fēng)存在期間的平均移動速度。經(jīng)統(tǒng)計,臺風(fēng)的強度在1990?2018年內(nèi)有增大趨勢,大約每10 a增加1 m/s,這個結(jié)果與Kossin等[24]用衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計出的30 a全球熱帶氣旋增強趨勢一致。另外也有研究表明,西北太平洋4~5級熱帶氣旋在數(shù)量上也有增加,增加的原因是溫室氣體導(dǎo)致的全球變暖[25]。根據(jù)圖3a可以發(fā)現(xiàn),在最近幾次的厄爾尼諾發(fā)生時(1997年、2005年、2015年),臺風(fēng)出現(xiàn)的數(shù)量相對較多,說明海表溫度是影響熱帶氣旋強度和數(shù)量的一大影響因素[26]。
圖3 1990?2018年全球臺風(fēng)出現(xiàn)的數(shù)量(a)、強度(b)和移動速度(c)的時間序列Fig. 3 Time series of number (a), intensity (b) and translation speed (c) of global typhoons during 1990?2018
全球變暖不僅會導(dǎo)致熱帶氣旋的強度增加,而且也會使夏季熱帶環(huán)流有所減弱。熱帶氣旋的移動方向和速度都受周圍環(huán)境風(fēng)影響,環(huán)流減弱可能會導(dǎo)致熱帶氣旋的移動速度降低。Kossin[27]統(tǒng)計了將近70 a的熱帶氣旋的移動速度變化,發(fā)現(xiàn)西北太平洋熱帶氣旋的移動速度減慢了30%。但在圖3c中,本文統(tǒng)計的將近30 a的全球的臺風(fēng)移動速度未有明顯變化。熱帶氣旋的移動速度是個重要參數(shù),關(guān)系著其影響經(jīng)過海區(qū)對海浪的強迫時間。還有研究表明了熱帶氣旋的移動速度與有效波高有一定相關(guān)性:中速移動的熱帶氣旋(3~7 m/s)可能會引起更高的波浪[28-29]。毫無疑問,風(fēng)速越快海浪也會越高,但移速可能會與相近群速的波耦合,形成“陷波”,在熱帶氣旋移動方向的右側(cè),海浪長時間受到風(fēng)場強迫,可能會出現(xiàn)極大的有效波高,這是造成海浪場不對稱的因素之一[30]。
最大持續(xù)風(fēng)速Vmax是 衡量熱帶氣旋強度的標(biāo)準(zhǔn)之一,根據(jù)前面的統(tǒng)計,熱帶氣旋的強度在近些年來有所增加,以Vmax量化熱帶氣旋強度,將熱帶氣旋分為3組,分別是 20m/s≤Vmax<30m/s、30m/s≤Vmax<40m/s和Vmax≥40m/s。圖4和圖5是不同最大風(fēng)速熱帶氣旋 下 τdiff和EFdiff的 分 布,以 熱 帶 氣 旋 移 動 方 向 為 正 前方,將其影響的區(qū)域分為4個象限:左前方、右前方、左 后 方 和 右 后 方。熱 帶 氣 旋 強 度 越 大,τdiff和EFdiff的值越大,不對稱性越大。海浪吸收和儲存的動量和能量分布的大值區(qū)與熱帶氣旋中心區(qū)不重合,且主要集中在3Rmax的 范圍以內(nèi)。 τdiff在熱帶氣旋的后方最大,左前方最小,大值區(qū)呈腎形結(jié)構(gòu),EFdiff在熱帶氣旋移動方向的右側(cè)最大,左前方最小,眼區(qū)是相對低值區(qū),與 風(fēng) 場 結(jié) 構(gòu) 相 似。但 從 整 體 上 來 看,τdiff和EFdiff大 值區(qū)的分布在熱帶氣旋移動的右后方的占比比較大。統(tǒng)計顯示,熱帶氣旋移動方向右前方處的有效波高比其他3個象限大[29,31],圖2右上角的模式輸出的瞬時有效波高的分布也驗證了這一點。移動的熱帶氣旋的風(fēng)速會和移動速度疊加,在北半球,風(fēng)速的最大值總是會出現(xiàn)在熱帶氣旋移動方向的右側(cè),由于風(fēng)的驅(qū)動,海流的最大值同樣出現(xiàn)在右后象限[32],而且右側(cè)的主波方向與風(fēng)向差異更小[33]。熱帶氣旋發(fā)生時的波高分布的不對稱以及風(fēng)和波浪傳播方向的差異導(dǎo)致了海氣動量通量空間分布的不對稱。
圖4 不同強度熱帶氣旋海氣動量差 τ diff的空間分布Fig. 4 Spatial distribution of momentum difference τ diff under tropical cyclones of differenct intensitiesa. 強度為20 m/s≤Vmax<30 m/s;b. 強度為30 m/s≤Vmax<40 m/s;c. 強度為Vmax≥40 m/s;黑色箭頭為氣旋移動方向,數(shù)值表示每個象限內(nèi)τdiff的最大值;黑色圓實線分別為Rmax、3Rmax和5Rmax的位置a. Intensity for 20 m/s≤Vmax<30 m/s; b. intensity for 30 m/s≤Vmax<40 m/s; c. intensity for Vmax≥40 m/s; the black arrows indicate the translation direction of the cyclones; the values represent the maximum τdiff in each quadrant; the black lines are the positions of Rmax, 3Rmax and 5Rmax
圖4和圖5展現(xiàn)的是 τdiff和EFdiff平均分布,一般情況下,熱帶氣旋伴隨的強風(fēng)驅(qū)動了海洋,且風(fēng)和浪的傳播方向相差不大,海浪增長吸收動量和能量,τdiff和EFdiff為正值。由于熱帶氣旋左側(cè)的風(fēng)速較右側(cè)小,因此左側(cè)的波浪不僅受到局地風(fēng)的驅(qū)動,還會受到從右側(cè)傳播來的速度較快的涌浪影響,導(dǎo)致左側(cè)的主波傳播方向和風(fēng)向相差較大[33],可能會超過90°,這時逆風(fēng)耗散的波浪 也會導(dǎo)致 τdiff和EFdiff為正值。但在一些特殊的海況下,例如從高風(fēng)速區(qū)傳播到低風(fēng)速區(qū)的涌浪,也會出現(xiàn)負(fù)值的τdiff和EFdiff,即傳播速度較大的涌浪驅(qū)動了大氣的運動,同時波浪向海流輸入耗散了動量。
圖5 不同強度熱帶氣旋能量差EFdiff的分布Fig. 5 Spatial distribution of momentum difference EFdiff under tropical cyclones of different intensitiesa. 強度為20 m/s≤Vmax<30 m/s;b. 強度為30 m/s≤Vmax<40 m/s;c. 強度為Vmax≥40 m/s;黑色箭頭為氣旋移動方向,數(shù)值表示每個象限內(nèi)EFdiff的最大值;黑色圓實線分別為Rmax、3Rmax和5Rmax的位置a. Intensity for 20 m/s≤Vmax<30 m/s; b. intensity for 30 m/s≤Vmax<40 m/s; c. intensity for Vmax≥40 m/s; the black arrows indicate the translation direction of the cyclones; the values represent the maximum EFdiff in each quadrant; the black lines are the positions of Rmax, 3Rmax and 5Rmax
風(fēng)驅(qū)動形成的風(fēng)浪和遠方傳播來的涌浪構(gòu)成復(fù)雜的海浪場,海浪狀況可以用波齡 β表征,用以研究海浪與動量和能量通量的關(guān)系,β也是反映風(fēng)場和波場耦合程度的有效指標(biāo)[34],公式為
式中,cp是 主波相速度;U10為 10 m處風(fēng)速;θ是風(fēng)和海浪之間的夾角。在對海氣動量和能量交換的研究中,逆波齡 1/β=U10×cosθ/cp更能反映其中的關(guān)系。根據(jù)Hanley等[35]用海面風(fēng)場和海浪波譜計算的逆波齡的分布,當(dāng) 1/β>0.83時,海浪增長并吸收大氣動量和能量,此時風(fēng)浪占主導(dǎo)地位;當(dāng) 0.15<1/β<0.83時,海面上的波是由涌浪和風(fēng)浪混合的;當(dāng) 1/β<0.15,此時的波 由 長 波 涌 浪 主 導(dǎo),并 可 能 會 出 現(xiàn) τdiff和EFdiff為 負(fù) 的情況。
圖6是不同強度的熱帶氣旋下逆波齡與 τdiff和EFdiff的 關(guān) 系,我 們 發(fā) 現(xiàn),氣 旋 強 度 越 大,τdiff和EFdiff越大,與圖4和圖5的結(jié)果一致,且強度Vmax≥40m/s的最大值幾乎是 30m/s≤Vmax<40m/s的兩倍,分別達到了0.12和1.59。對于逆波齡與 τdiff和EFdiff的關(guān)系,逆波齡1/β=0.75附 近是一個分水嶺,1/β<0.75時 ,τdiff在0.012以下,幾乎無變化,Ediff增長斜率很小。也就是在海況為涌浪或者是風(fēng)浪和涌浪混合,且涌浪為主的時候,τdiff和Ediff比較小,海浪從大氣得到的能量較少,根據(jù)前面的分析,涌浪甚至還會對大氣有較少的動量和能量的輸送,因此,海氣兩側(cè)的動量和能量在這種狀態(tài)下比較相近。 1/β>0.75時 ,τdiff和EFdiff隨逆波齡的增大而增大,Vmax≥40m/s時的增長速率最快。也就是當(dāng)海況是風(fēng)浪為主導(dǎo)時,海浪逆波齡越大,海浪成長吸收的動量和能量越多。但這個增大有一定限度,在逆波齡1/β>1.65時 ,τdiff和EFdiff隨逆波齡增大的斜率均有所下降,甚 至 在 1/β>1.85時 τdiff和EFdiff隨 逆 波 齡 增 大 而 減小。總 體 來 看,逆 波 齡 與 τdiff和EFdiff的 相 關(guān) 系 數(shù) 在 不同強度的情況下均達到了0.95左右。
熱帶氣旋的強度多受局地因素例如海況影響,而移動軌跡則很大程度上受大氣環(huán)流影響。熱帶氣旋的移動速度和旋轉(zhuǎn)速度耦合影響氣旋結(jié)構(gòu),是導(dǎo)致氣旋風(fēng)場不對稱的重要因素[36],風(fēng)作用于海洋,也會引起海浪場和流場的不對稱。圖7是不同移動速度下的熱帶氣旋 τdiff和EFdiff的分布。在移動速度小于12 m/s的 時 候,τdiff和EFdiff隨 著 熱 帶 氣 旋 移 動 速 度 的 增 加 而增加,其相關(guān)性均在0.8以上。移動速度大于12 m/s時,強 度 為 20m/s≤Vmax<30m/s 的 熱 帶 氣 旋 τdiff和EFdiff與移速也呈正相關(guān),但強度為30m/s≤Vmax<40m/s和Vmax≥40m/s的則沒有明顯的相關(guān)性,這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是因為強度大且移速快的氣旋樣本量較少。盡管沒有明確的理論說明熱帶氣旋移動速度和強度有必然聯(lián)系,但在本文的研究統(tǒng)計中,強熱帶風(fēng)暴中移速大于12 m/s的有9%,但移速大于12 m/s的強臺風(fēng)只占有2.5%的比例。同樣的情況也出現(xiàn)在圖8中。
對于不同強度氣旋移速與波浪性質(zhì)的關(guān)系,由圖8可知,氣旋強度越強,逆波齡越大,這在圖4和圖5中也能體現(xiàn)出來。此外,移速小于12 m/s時,移動速度和逆波齡呈正相關(guān),且在不同強度的條件下相關(guān)系數(shù)均在0.9左右。圖7顯示氣旋移速越快,海浪吸收的動量和能量也越多,結(jié)合圖6中 τdiff和EFdiff與逆波齡呈正相關(guān)的結(jié)論,可間接得出移速與逆波齡也呈正相關(guān),與圖8結(jié)果一致。這是因為熱帶氣旋移動越快,移到下一處相對平靜的海域的速度越快,處于成長初期的海浪也就越豐富,海浪能夠吸收的動量和能量也就越多,海浪迅速發(fā)展,但最后海浪是否能夠發(fā)展的最大高度也要取決于海浪受風(fēng)應(yīng)力強迫的持續(xù)時間以及熱帶氣旋強度的大小等因素。
圖7 熱帶氣旋移動速度與海氣動量差 τ diff (a)和海氣能量差 EFdiff(b)的關(guān)系Fig. 7 The relationship between tropical cyclone translation speed and momentum difference τ diff (a), energy difference E Fdiff (b)
圖8 不同強度的熱帶氣旋下移動速度與逆波齡的關(guān)系Fig. 8 The relationship between translation speed and inverse wave age under tropical cyclones of different intensity
本文結(jié)合熱帶氣旋觀測數(shù)據(jù)IBTrACS和海浪模式WW III的模擬數(shù)據(jù),研究了1990?2018年在不同熱帶氣旋強度和移速的情況下,海浪的演化發(fā)展對海氣兩側(cè)通量之差的影響,并利用逆波齡分析海浪場和τdiff與EFdiff的關(guān)系。本文發(fā)現(xiàn):(1)熱帶氣旋的強度以大約每10 a增加1 m/s的速度加強,但移動速度沒有明 顯變化;(2)強 度 越 大 τdiff與EFdiff也越大,τdiff和EFdiff的分布不均勻,不對稱性較強,τdiff的最大值分布在熱帶氣旋移動方向的后方,右后象限的大值區(qū)域比較廣,EFdiff的最大值分布在熱帶氣旋移動方向的右后象限,左前方最小。這主要是因為熱帶氣旋的風(fēng)場受移速、海表面溫度、大氣壓等的影響,不對稱性較強,在北(南)半球熱帶氣旋移動方向的右(左)側(cè)比較大,導(dǎo)致波場及其吸收的動量和能量也不對稱。整體來看,逆波齡與τdiff和EFdiff呈正相關(guān),且不同強度的相關(guān)系數(shù)均在0.95左右;(3)熱帶氣旋移動速度小于12 m/s時,τdiff和EFdiff隨著熱帶 氣 旋 移 動 速 度的增加而增加,其相關(guān)系數(shù)大于0.8,造成這種高度正相關(guān)關(guān)系的原因是,氣旋移速越快,就能更快地強迫到下一處海浪還未完全發(fā)展的海域,也正因如此,氣旋移速越快逆波齡越大。
通過本文的研究,發(fā)現(xiàn)海浪場不僅在單純的海洋模擬、海氣耦合模式以及氣候模式中對熱帶氣旋下海氣之間的動量和能量的通量有重要影響,海浪過程還會通過對動量和能量通量的影響,進而影響海洋環(huán)流、海表溫度等重要的海洋動力參數(shù)。因此,在未來的海洋動力過程、海氣相互作用等研究中,海浪的過程必不可少。
致謝:本研究所用的數(shù)值計算得到了南京信息工程大學(xué)高性能計算中心的計算支持和幫助,在此表示感謝。